Na mecânica quântica, o operador momento é o operador associado ao momento linear. O operador momento é, na representação de posição, um exemplo de operador diferencial. Para o caso de uma partícula em uma dimensão espacial, a definição é:onde ħ é a constante de Planck reduzida, i a unidade imaginária, x é a coordenada espacial, e uma derivada parcial (denotada por ) é usada em vez de uma derivada total (d/dx) uma vez que a função de onda também é uma função do tempo. O "chapéu" indica um operador. A "aplicação" do operador sobre uma função de onda diferenciável é como segue:
Em uma base do espaço de Hilbert consistindo de autoestados de momento expressos na representação de momento, a ação do operador é simplesmente a multiplicação por p, isto é, é um operador de multiplicação, assim como o operador posição é um operador de multiplicação na representação de posição. Observe que a definição acima é o momento canônico, que não é invariante de gauge e não é uma grandeza física mensurável para partículas carregadas em um campo eletromagnético. Nesse caso, o momento canônico não é igual ao momento cinético.
Na época em que a mecânica quântica foi desenvolvida na década de 1920, o operador momento foi encontrado por muitos físicos teóricos, incluindo Niels Bohr, Arnold Sommerfeld, Erwin Schrödinger e Eugene Wigner. Sua existência e forma são às vezes tomadas como um dos postulados fundamentais da mecânica quântica.
Os operadores de momento e energia podem ser construídos da seguinte maneira.
Começando em uma dimensão, usando a solução de onda plana para a equação de Schrödinger de uma única partícula livre,onde p é interpretado como momento na direção x e E é a energia da partícula. A derivada parcial de primeira ordem em relação ao espaço é
Isso sugere a equivalência de operadoresde modo que o momento da partícula e o valor que é medido quando uma partícula está em um estado de onda plana é o autovalor (generalizado) do operador acima.
Como a derivada parcial é um operador linear, o operador momento também é linear e, como qualquer função de onda pode ser expressa como uma superposição de outros estados, quando esse operador momento age sobre toda a onda superposta, ele produz os autovalores de momento para cada componente de onda plana. Esses novos componentes então se superpõem para formar o novo estado, em geral não um múltiplo da antiga função de onda.
A derivação em três dimensões é a mesma, exceto que o operador gradiente del é usado em vez de uma derivada parcial. Em três dimensões, a solução de onda plana para a equação de Schrödinger é:e o gradiente éonde ex, ey e ez são os vetores unitários para as três dimensões espaciais, portanto
Este operador momento está no espaço de posição porque as derivadas parciais foram tomadas em relação às variáveis espaciais.
Para uma única partícula sem carga elétrica e sem spin, o operador momento pode ser escrito na base de posição como:onde ∇ é o operador gradiente, ħ é a constante de Planck reduzida e i é a unidade imaginária.
Em uma dimensão espacial, isso se torna
Esta é a expressão para o momento canônico. Para uma partícula carregada q em um campo eletromagnético, durante uma transformação de gauge, a função de onda no espaço de posição sofre uma transformação de grupo U(1) local, e mudará seu valor. Portanto, o momento canônico não é invariante de gauge e, portanto, não é uma grandeza física mensurável.
O momento cinético, uma grandeza física invariante de gauge, pode ser expresso em termos do momento canônico, do potencial escalar φ e do potencial vetorial A:
A expressão acima é chamada de acoplamento mínimo. Para partículas eletricamente neutras, o momento canônico é igual ao momento cinético.
O operador momento pode ser descrito como um operador simétrico (isto é, Hermitiano), ilimitado, agindo sobre um subespaço denso do espaço de estados quânticos. Se o operador age sobre um estado quântico (normalizável), então o operador é autoadjunto. Em física, o termo Hermitiano frequentemente se refere tanto a operadores simétricos quanto autoadjuntos.
(Em certas situações artificiais, como os estados quânticos no intervalo semi-infinito 0, ∞, não há maneira de tornar o operador momento Hermitiano. Isso está intimamente relacionado ao fato de que um intervalo semi-infinito não pode ter simetria translacional — mais especificamente, ele não tem operadores unitários de translação. Ver abaixo.)
Aplicando o comutador a um estado arbitrário na base de posição ou de momento, pode-se facilmente mostrar que:onde é o operador unitário. O princípio da incerteza de Heisenberg define limites sobre quão precisamente o momento e a posição de um único sistema observável podem ser conhecidos ao mesmo tempo. Na mecânica quântica, posição e momento são variáveis conjugadas.
A discussão a seguir usa a notação bra-ket. Pode-se escrever de modo que o til representa a transformada de Fourier, ao converter do espaço de coordenadas para o espaço de momento. Vale então queisto é, o momento agindo no espaço de coordenadas corresponde à frequência espacial,
Um resultado análogo se aplica ao operador posição na base de momento,levando a outras relações úteis,onde δ representa a função delta de Dirac.
O operador de translação é denotado T(ε), onde ε representa o comprimento da translação. Ele satisfaz a seguinte identidade:que se torna
Assumindo que a função seja analítica (isto é, diferenciável em algum domínio do plano complexo), pode-se expandir em uma série de Taylor em torno de x:de modo que para valores infinitesimais de ε:
Como é sabido da mecânica clássica, o momento é o gerador da translação, então a relação entre os operadores de translação e de momento é:[mais explicações necessárias]portanto
Inserindo o operador momento 3d acima e o operador energia no 4-momento (como uma 1-forma com assinatura métrica (+ − − −)):obtém-se o operador 4-momento:onde ∂μ é o 4-gradiente, e o −iħ se torna +iħ precedendo o operador 3-momento. Este operador ocorre na teoria quântica de campos relativística, como a equação de Dirac e outras equações de onda relativísticas, uma vez que energia e momento se combinam no vetor 4-momento acima, os operadores de momento e energia correspondem a derivadas espaciais e temporais, e elas precisam ser derivadas parciais de primeira ordem para a covariância de Lorentz.
O operador de Dirac e a barra de Dirac do 4-momento é dado pela contração com as matrizes gama:
Se a assinatura fosse (− + + +), o operador seria em vez disso.